孟超然 顏 林 張書捷 危常州?

（1 石河子大學農(nóng)學院/新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室，新疆石河子 832003）

（2 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第八師一四七團，新疆石河子 832045）

（3 新疆農(nóng)墾科學院科技信息研究所，新疆石河子 832003）

干旱區(qū)長期膜下滴灌農(nóng)田耕層土壤鹽分變化*

孟超然1顏 林2張書捷3危常州1?

（1 石河子大學農(nóng)學院/新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室，新疆石河子 832003）

（2 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第八師一四七團，新疆石河子 832045）

（3 新疆農(nóng)墾科學院科技信息研究所，新疆石河子 832003）

新疆地處干旱地區(qū)，水資源短缺，膜下滴灌作為有效的節(jié)水灌溉技術(shù)在新疆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用。但新疆同時是鹽堿化普遍發(fā)生的地區(qū)，采用滴灌技術(shù)后，傳統(tǒng)灌溉的灌溉洗鹽過程隨之消失，且該地區(qū)灌溉水礦化度較高，對土壤鹽分有一定的補充作用，因此滴灌技術(shù)雖然節(jié)水增產(chǎn)效果明顯，但長期滴灌可能導致土壤鹽分積累，降低土壤質(zhì)量。通過監(jiān)測一個長期膜下滴灌、面積約為224 km2的農(nóng)場15a農(nóng)田土壤鹽分含量，對長期膜下滴灌土壤鹽分含量的變化進行研究，研究結(jié)果可為膜下滴灌土壤鹽分管理提供科學依據(jù)。以位于新疆北部瑪納斯河流域的新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第八師147團農(nóng)田為研究對象，通過收集該團場自1996年至2010年記錄的農(nóng)田耕層鹽分和養(yǎng)分指標的分析數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計學知識及地理信息系統(tǒng)技術(shù)，對不同滴灌年限下土壤耕層鹽分變異特征及土壤耕層鹽分與其他土壤指標的相關(guān)性進行研究。研究表明：（1）在滴灌的第一個3年周期內(nèi)，土壤耕層鹽分平均含量從3.13 g kg-1降低至3.00 g kg-1，降幅達4.2%，但經(jīng)12年滴灌年限，土壤耕層鹽分從3.13 g kg-1升高至4.81 g kg-1，升高了53.7%；（2）在五個監(jiān)測周期（15 a）內(nèi)，土壤鹽分含量明顯上升，研究區(qū)土壤耕層鹽分含量集中分布在4～10 g kg-1，土壤耕層多為中度鹽化土和重度鹽化土；（3）長期膜下滴灌導致土壤耕層鹽分發(fā)生重新分配，全團范圍內(nèi)農(nóng)田鹽分含量分布接近正態(tài)分布。本研究條件下，長期膜下滴灌會造成土壤耕層鹽分積累，滴灌水攜帶的鹽分對土壤鹽分有一定的補充作用；采用2～3年進行一次大水洗鹽以及培肥土壤、提高土壤有機質(zhì)含量對防止滴灌土壤積鹽具有重要作用。

長期膜下滴灌；耕層土壤；鹽分含量；147團

1996年新疆建設(shè)兵團開始試驗膜下滴灌技術(shù)，至1999年開始大面積應用，拉開了膜下滴灌技術(shù)迅猛發(fā)展的序幕［1］。經(jīng)過多年的研究與實踐，膜下滴灌技術(shù)逐漸趨于成熟和完善，并成為了新疆地區(qū)采用面積最大的節(jié)水栽培技術(shù)［2］。膜下滴灌能在提高土地和水資源利用率的同時顯著提高作物產(chǎn)量。滴灌條件下與鹽分有關(guān)的增產(chǎn)機理為：以滴頭為圓心，形成一個直徑15～30 cm的淡化脫鹽區(qū)域，有利于作物生長［3-4］。但由于滴灌技術(shù)理論上具有“淺灌、勤灌、濕潤范圍小”的特點，與淹灌相比滴灌條件下沒有洗鹽過程，不能排除田間土壤鹽分［5］，而且新疆地區(qū)土壤母質(zhì)含鹽量高，加之灌溉水礦化度高，灌溉水蒸發(fā)和蒸騰后，其所含鹽分即留在土壤中，因此在沒有洗鹽過程存在時，灌溉對土壤鹽分可能有一定的補充作用。除此之外，由于西北地區(qū)蒸發(fā)量大而降水稀少的特征，土壤水分以向土壤上層運動為主［6］，在長期滴灌條件下深層鹽分可能隨水分向土壤上層積累［7］。土壤鹽分是作物生長的重大障礙因素［8］，因此研究長期膜下滴灌土壤耕層鹽分積累對系統(tǒng)認識和掌握干旱區(qū)滴灌背景下耕地質(zhì)量和建立科學灌溉制度具有重要的意義。本研究以新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第八師147團為樣本，分析從1996年至2010年0～20cm層土壤鹽分的時間和空間變異特征及其主要原因，闡明長期膜下滴灌地區(qū)的土壤鹽分運動規(guī)律，為土壤管理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第八師147團位于瑪納斯河流域中部、瑪納斯河東側(cè)，處于天山北麓中段準噶爾盆地南緣的山前沖積平原（圖1），南北長26 km，東西寬8.5 km，總面積約224 km2。研究區(qū)自南向北地勢逐漸降低，地貌為山前傾斜平原沖洪積扇，坡降0.02%且穩(wěn)定。流域內(nèi)年均氣溫為5.2℃，極端最高氣溫為43℃，極端最低氣溫為-43.1℃，年降水量為100～200 mm，年均蒸發(fā)量為1500～2100 mm，無霜期為147～152 d，屬典型的溫帶大陸性干旱半干旱氣候。在自然條件下，轄區(qū)內(nèi)土壤淋溶和脫鹽過程十分微弱，土壤中的可溶性鹽形成大面積鹽土，其中以地下水位較高、地下水量較豐富，且流動不暢的洪積沖積扇扇緣及沖積平原上部鹽漬化最嚴重［9］。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig. 1 Geographical position of the study area

147團位于天山北坡泉水溢出帶，地下水位埋深一般在6～8 m，土壤鹽分含量較高且鹽分類型復雜，有“北疆鹽堿土博物館”之稱。147團成立以來，通過逐年開墾，目前有耕地14×103hm2，通過大水洗鹽、排渠排鹽、有機質(zhì)改良、打破板結(jié)層等措施［10］，土壤鹽分逐年下降，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)步提高。該團從1999年為節(jié)約水資源，從常規(guī)灌溉轉(zhuǎn)為膜下滴灌，棉花是147團的主要作物，種植面積占總耕地面積的95%以上，全部實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)，100%實行膜下滴灌［11］。糧食作物主要為玉米，油料作物、甜菜、苜蓿等也有小面積種植。由于該團土壤鹽分較重，團場常年在秋季取土進行土壤鹽分和氮磷鉀含量監(jiān)測。本研究利用團場長期鹽分監(jiān)測資料，分析常年滴灌農(nóng)田耕層土壤鹽分含量變化特征，為評價干旱區(qū)膜下滴灌土壤鹽分變化及準確進行土壤鹽分管理提供依據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)采集與處理

147團農(nóng)科中心自1996年開始采用三年一個周期對全團所有農(nóng)田耕層土壤進行樣品采集，并用殘渣烘干—質(zhì)量法（水土比為5∶1）測定土壤水溶性鹽含量，用常規(guī)方法測定土壤pH及有機質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀含量，進行長期土壤養(yǎng)分和鹽分監(jiān)測。本研究根據(jù)1996—2010年的監(jiān)測結(jié)果，利用ArcView 3.3對全團條田規(guī)劃利用現(xiàn)狀圖進行數(shù)字化和唯一化編號，通過地址匹配的方法將各監(jiān)測周期土壤鹽分含量數(shù)據(jù)導入GIS系統(tǒng)。共得到1996—1998年（S1）、1999—2001年（S2）、2002—2004年（S3）、2005—2007年（S4）和2008—2010年（S5）5個周期15年的土壤耕層指標動態(tài)數(shù)據(jù)。其中S1為漫灌時期土壤鹽分含量，S2～S5為不同滴灌年限土壤鹽分含量。S1～S5樣本數(shù)量分別為354、291、284、255、199個，均在秋季進行土壤樣品的采集。與漫灌相比，滴灌樣本數(shù)量逐周期減少，主要原因是采用滴灌后排堿渠等傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)設(shè)施廢棄，且將小條田合并為大田塊。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Office 工具Excel進行數(shù)據(jù)整理；Statistics 18.0對樣本數(shù)據(jù)作描述性統(tǒng)計分析；ArcView3.3進行研究區(qū)和采樣點矢量地圖的制作；ArcMap10.2進行插值分析、柵格運算、空間分析及分布圖的制作。

2 結(jié) 果

2.1 土壤耕層鹽分統(tǒng)計特征

表1為土壤耕層鹽分的統(tǒng)計特征值，對比峰度系數(shù)與偏度系數(shù)可知S1～S5周期中土壤耕層鹽分含量均呈明顯的偏態(tài)分布；S4、S5周期土壤耕層鹽分含量平均值明顯高于S1、S2和S3，且除S2之外呈明顯的逐年增高趨勢；對五個周期鹽分含量平均值進行多重比較發(fā)現(xiàn)，S1、S2、S3周期的土壤耕層鹽分含量無顯著差異，而S4與S5較S1、S2、S3土壤耕層鹽分含量顯著升高。隨著膜下滴灌年限延長，土壤耕層鹽分含量的標準差明顯較大。S1～S5監(jiān)測周期內(nèi)土壤耕層鹽分含量的變異系數(shù)范圍為65.1%～85.2%，屬中等變異強度。峰度系數(shù)和偏度系數(shù)隨滴灌年限延長逐步降低，顯示全團土壤鹽分含量逐漸接近正態(tài)分布，且鹽分含量趨于平均分布。

2.2 不同監(jiān)測周期土壤鹽分含量及其分布

為了更直觀地反映整個147團研究區(qū)域土壤耕層鹽分含量及其變化特征，利用GIS軟件ArcMap10.2進行Kriging插值。參考石元春和辛德惠［12］制定的土壤鹽分分級標準，鹽分含量≥10 g kg-1為鹽土、4～10 g kg-1為重度鹽化土、2～4 g kg-1為中度鹽化土、1～2 g kg-1為輕度鹽化土、＜1 g kg-1為非鹽化土，得到S1～S5土壤耕層鹽分含量分布圖（圖2）。

表1 147團土壤耕層鹽分統(tǒng)計特征Table 1 Statistical characteristics of soil salinity in the plow layer of the farmland in Regiment 147

由圖2可知，干旱條件下，采用膜下滴灌技術(shù)土壤耕層存在明顯的鹽分積累現(xiàn)象。重度鹽化土在S1、S2周期主要分布在該團東北部的3連、15連、20連，S3周期也出現(xiàn)在東南部的7連、8連、9連、11連，至S4、S5周期已廣泛分布在全團大部分區(qū)域，S1～S4監(jiān)測周期內(nèi)不存在的鹽土和非鹽化土在S5周期也出現(xiàn)了。

圖2 147團S1～S5土壤耕層鹽分含量空間分布Fig. 2 Distribution of soil salt content in the plow layer in Regiment 147 relative to monitoring period

表2 147團S1～S5各級鹽分圖斑面積統(tǒng)計Table 2 Areas of salinity patches relative to salinity grade of Regiment 147 relative to monitoring period

利用ArcMap10.2空間分析工具，對各級鹽分圖斑面積及其所占比例進行計算，得到表2結(jié)果?？梢钥闯鯯1～S4周期中，中度鹽化土占據(jù)較大比例，分別為64.2%、83.8%、65.7%、60.4%，至S5周期，則是重度鹽化土所占比例最大，為62.1%。除S2周期外，重度鹽化土面積及其所占比例在S1～S5周期內(nèi)呈逐漸增大趨勢。

2.3 不同滴灌年限土壤耕層鹽分變化

利用ArcMap10.2柵格分析工具對膜下滴灌實施以來的四個監(jiān)測周期（S2～S5）與漫灌監(jiān)測周期（S1）土壤耕層鹽分含量進行柵格減法運算，規(guī)定結(jié)果≤-3、-3～-0.5、-0.5～0.5、0.5～3和≥3時分別為土壤耕層鹽分顯著降低、降低、持平、增高和顯著增高，得到不同滴灌年限下147團土壤耕層鹽分含量的升降變化圖（圖3）。其中S2～S1為滴灌3年、S3～S1為滴灌6年、S4～S1為滴灌9年、S5～S1為滴灌12年。由圖可以看出，在滴灌3年時，研究區(qū)較大區(qū)域的土壤耕層鹽分含量呈降低趨勢，隨滴灌年限的增加，研究區(qū)土壤耕層鹽分含量增高的區(qū)域面積逐漸增大，至滴灌12年時，研究區(qū)大部分區(qū)域的土壤耕層鹽分含量均有增高趨勢。根據(jù)監(jiān)測周期內(nèi)土壤耕層鹽分統(tǒng)計特征值，可知在滴灌年限為3年、6年、9年和12年時，研究區(qū)土壤耕層鹽分含量的平均值分別增高了-4.2%、5.8%、21.1%和53.7%，呈明顯地隨滴灌年限增加而增大的趨勢。

圖3 不同滴灌年限下土壤耕層鹽分變化Fig. 3 Variation of soil salinity in the plow layer relative to drip-irrigation history

2.4 研究區(qū)土壤耕層鹽分局部動態(tài)

根據(jù)已有的分區(qū)數(shù)據(jù)，利用ArcMap10.2的空間分析工具，以連隊為單位對Kriging插值結(jié)果進行分區(qū)統(tǒng)計，得到147團各連隊土壤耕層鹽分平均值在整個監(jiān)測周期和各滴灌年限的變化（表3）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大部分連隊五個監(jiān)測周期土壤耕層鹽分平均含量最大值出現(xiàn)在滴灌年限較長的S4、S5周期，僅有14連出現(xiàn)在S1周期，這可能與局部作物類型不同有關(guān)。土壤耕層鹽分含量增高的連隊數(shù)在滴灌年限為3年、6年、9年、12年時分別為10、15、19、22，呈明顯地隨滴灌年限增加而增加的趨勢，土壤耕層鹽分含量增加的百分比也有同樣的變化趨勢。

2.5 土壤鹽分含量與土壤屬性的相關(guān)性

對S4～S5周期土壤鹽分含量與有機質(zhì)、堿解氮，速效磷、速效鉀含量及土壤pH等指標之間的相關(guān)性進行分析，得到表4的結(jié)果?？梢钥闯觯琒4周期與土壤鹽分含量有顯著相關(guān)性的指標分別為有機質(zhì)、堿解氮、速效鉀、pH，S5周期分別為堿解氮、速效鉀、pH。綜合兩周期檢驗結(jié)果可知，耕層鹽分與速效鉀、堿解氮呈顯著正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性速效鉀＞堿解氮；耕層鹽分含量與pH呈顯著負相關(guān)關(guān)系。雖然這些指標與土壤鹽分均有極顯著的相關(guān)性，但相關(guān)系數(shù)均較小，屬中或弱相關(guān)。

3 討 論

本研究中較長（12 a）年限的滴灌造成147團幾乎所有連隊土壤耕層鹽分含量明顯積累，與滴灌技術(shù)本身的固有特點及灌溉水性質(zhì)有關(guān)。147團棉田平均灌溉定額約為5670 m3hm-2［13］，灌溉水礦化度約為0.4 g L-1，其中Na+、K+、Cl-等可駐留離子礦化度約為0.22 g L-1［14-15］，每年由灌溉水帶入土壤的鹽分離子量為1247 kg hm-2。本研究區(qū)如以每公頃農(nóng)田0～60 cm土層干土質(zhì)量為 7020 t，土壤初始鹽分含量為3.13 g kg-1（S1時期）計算，則每公頃農(nóng)田0～60 cm土層鹽分質(zhì)量為21973 kg，每年灌溉水帶入土壤的鹽分占比為5.6%，因此可以認為灌溉水攜帶鹽分與長期滴灌農(nóng)田耕層鹽分積累有關(guān)。也有研究［16］認為，隨著滴灌年限增加，土壤耕層的鹽分含量降低，耕層以下的鹽分含量將逐步增加，但該研究只是對同一塊滴灌農(nóng)田進行4a跟蹤監(jiān)測，滴灌年限較短。牟洪臣等［17］的研究也發(fā)

現(xiàn)，膜下滴灌技術(shù)使用初期可使土壤鹽分含量下降。本研究中147團在滴灌初期（S2）出現(xiàn)土壤耕層鹽分含量的平均值及重度鹽化土面積的降低，也驗證了這個觀點，說明較短年限的膜下滴灌可以降低土壤耕層鹽分含量。

表3 147團土壤耕層鹽分局部變化Table 3 Variation of soil salinity in the plow layer of certain parts of Regiment 147

表4 147團土壤耕層指標相關(guān)分析矩陣Table 4 Matrix of correlation coefficients between soil indices of the plow layer in Regiment 147

本研究發(fā)現(xiàn)147團土壤耕層鹽分含量偏度系數(shù)和峰度系數(shù)均顯著降低，接近于正態(tài)分布，表明膜下滴灌條件下，土壤鹽分含量分布趨于平均?？赡苁潜镜貐^(qū)水資源大量開采，導致地下潛水位降低，地下水補充鹽分作用微弱［18］，并且滴灌量較低，導致鹽分主要在土壤耕層遷移和重新分布［19］。由于資料局限，缺失20cm深度以下土壤鹽分含量數(shù)據(jù)，因此還需要對灌溉濕潤鋒范圍內(nèi)的鹽分分布進行細致地研究。

本研究中，耕層土壤鹽分含量與有機質(zhì)含量呈弱負相關(guān)，而與土壤pH呈極顯著負相關(guān)，反映了有機質(zhì)對改良鹽堿土的重要作用［20］，pH與土壤鹽分含量極顯著負相關(guān)，可能與化肥的長期大量施用有關(guān)。土壤鹽分含量還與有效鉀含量呈極顯著正相關(guān)，反映了鉀既是養(yǎng)分元素又是鹽分元素的特征。土壤鹽分與有效磷含量幾乎無相關(guān)性，而與堿解氮含量顯著正相關(guān)，可能與本地氮肥用量較大有關(guān)，也可能與鹽分較重土壤作物吸收氮素數(shù)量較低［21］而導致較大土壤氮殘留有關(guān)。

鑒于本研究結(jié)果，滴灌雖然是一種節(jié)水灌溉技術(shù)且具有顯著增產(chǎn)作用，但是長期滴灌仍然導致土壤耕層鹽分積累。因此為了保證土壤健康，在一定周期內(nèi)（如2～3年）進行一次大水漫灌進行土壤洗鹽非常必要。土壤有機質(zhì)含量與耕層鹽分含量呈負相關(guān)，滴灌背景下為了防止土壤積鹽和土壤退化，應重視土壤培肥和有機肥施肥。

4 結(jié) 論

膜下滴灌在較短的滴灌年限內(nèi)可以降低土壤耕層鹽分含量，但長期的膜下滴灌會造成土壤耕層鹽分積累；膜下滴灌是一種局部灌溉，長期膜下滴灌（12a）導致土壤耕層鹽分積累，土壤耕層鹽分含量集中分布在4～10 g kg-1，土壤耕層多為中度鹽化土和重度鹽化土，長期滴灌導致土壤鹽分分布趨于平均，鹽分含量分布從偏態(tài)分布接近于正態(tài)分布。

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Variation of Soil Salinity in Plow Layer of Farmlands under Long-term Mulched Drip Irrigation in Arid Region

MENG Chaoran1YAN Lin2ZHANG Shujie3WEI Changzhou1?
（1 College of Agronomy，Shihezi University/Key Laboratory of Oasis Ecological Agriculture，Xinjiang Production and Construction Group，Shihezi，Xinjiang 832003，China）
（2 The 147th Farms，Xinjiang Production and Construction Group，Shihezi，Xinjiang 832045，China）
（3 Research Institute of Technology and Information，Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science，Shihezi，Xinjiang 832003，China）

【Objective】In Xinjiang，an arid region，water scarcity has promoted extensive use of drip irrigation under plastic film mulch in agricultural production as an effective water-saving technique in this region. However，Xinjiang is also a region where soil salinization is common. With the extensive replacement of conventional irrigation with drip irrigation，the benefit of the former washing salts off the soil disappeared.Moreover，the irrigation water in this region is quite high in mineralization and ready to supply the soil with salt. So，although the effect of drip irrigation saving water and increasing yield is quite obvious，long-term adoption of the technique may lead to salt accumulation in the soil，thus lowering soil quality. This paper is oriented to explore impacts of 15-year long-term drip irrigation on soil salinity or soil salt content of the field in an attempt to provide certain scientific basis for management of soil salt under mulched drip irrigation in this region.【Method】A tract of farmland，around 224 km2in area was delineated in Regiment 147，Division Eight of the Xinjiang Production and Construction Corp，in the Manas River Basin，North Xinjiang for the study. The data of salt contents and soil available nutrient contents in the plow layer accumulated during the years from 1996 to 2010 of the tract of farmland were analyzed statistically with the aid of GIS technology to characterize variation of soil salt in the plow layer and relationship between soil salt and other soil indices in the plow layer relative to irrigation history.【Result】Results show：（1）soil salt content in the plow layer decreased from 3.13 g kg-1to 3.00 g kg-1or by 4.2% in the first 3 years of drip irrigation，but it rose back up to 4.81 g kg-1or 53.7% at the end of the study；（2）after 15 years of drip irrigation，soil salt content in the plow layer of the study region increased significantly，varying mainly in the range of 4～10 g kg-1，and a large proportion of the plow layer soil could be sorted as moderately or heavily salinized soil；and（3）long-term mulched drip irrigation in the arid region led to redistribution of soil salt in the plow layer，approaching to normal distribution in the scope of the regiment as a whole.【Conclusion】Under the condition of the study，long-term mulched drip irrigation has led to salt accumulation in the plow layer，because the water used in drip irrigation carries some salt，which may serve as supplement to soil salinity.It is，therefore，recommended to flood the field to wash soil salt off every two or three years in areas under long-term mulched drip irrigation，and to build up soil fertility and soil organic matter content，which may play a positive role in controlling soil salt accumulation due to drip irrigation in this region.

Long-Term mulched drip irrigation；Soil plow layer；Soil salt content；Regiment 147

S156.4+1

A

10.11766/trxb201704270601

* 國家重點研發(fā)計劃（2017YFD0201808）、國家自然科學基金項目（31471947）資助 Supported by the National Key Research and Development Program of China（No. 2017YFD0201808），the National Natural Science Foundation of China（No.31471947）

? 通訊作者 Corresponding author，E-mail：czwei@shzu.edu.cn

孟超然（1990—），男，河南開封人，碩士研究生，主要從事新型肥料與現(xiàn)代施肥技術(shù)研究。E-mail：chaoranmeng@163.com

2017-04-27；

2017-07-01；優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2017-07-25